CC BY
31
УДК 53.08
Н.А. Кутин
инженер, аспирант, кафедра приборостроения, ФГБОУ ВПО «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»
ПЕРСПЕКТИВЫ АВТОМАТИЗАЦИИ МОДЕРНИЗИРОВАННОГО СКАНИРУЮЩЕГО ИНФРАКРАСНОГО ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО КОМПЛЕКСА
Аннотация. В тексте статьи приводится описание базового инфракрасного измерительного комплекса, описывается проведенная модернизация, рассказывается о имеющихся недостатках, связанных с низкой автоматизированностью данной системы и высказываются предложения по решению данной проблемы.
Ключевые слова: дефектоскоп, модернизация, автоматизация, визуализация информации, пирометрия.
N.A. Kutin, National Minerai Resources University
PROSPECTS FOR THE AUTOMATION OF THE UPGRADED SCANING INFRARED
MEASUREMENT SYSTEM
Abstract. The text of the article is a description of the basic infrared measurement system, described by modernization, describes the existing drawbacks associated with low automation of the system and makes suggestions for resolving this problem.
Keywords: flaw detector, modernization, automation, information visualization, pyrometry.
В современном мире техника развивается взрывными темпами, с каждым годом усложняясь и усложняясь. Новейшие конструкционные решения, основывающиеся на сложных расчетах и современных конструкционных материалах, позволяют создавать то, что несколько десятилетий назад могло быть только в самых смелых мечтах. Однако усложнение конструкций приводит к тому, что за ними необходим более основательный уход и, как следствие, на первое место выходит контроль.
На сегодняшний день создано множество способов контроля различных параметров, но одним из самых важных является неразрушающий контроль, который позволяет в реальном времени, не принося вреда конструкциям, отслеживать изменения конструкционных параметров.
Несомненно, одним из самых перспективных и динамично развивающихся способов контроля является тепловой контроль. Ярким представителем приборов это когорты является тепловизор. Проводя тепловизионную съемку тепловизором, можно определить места дефектов и даже места напряженности, в которых разрушение еще только предстоит. Тепловизор имеет различные сферы применений, достаточно мобилен, но имеет ряд недостатков. Один из самых серьезных недостатков - это цена. Редкоземельные элементы [1], входящие в конструкцию и сложность изготовления объектива, приводят к тому, что многие компании занимающиеся дефектоскопией и, тем более, простые физические лица не могут позволить себе приобретение такого дорогостоящего оборудования, что приводит к уменьшению конкуренции и, как следствие, завышению стоимости, и снижению качества проведения работ теми, кто все таки смог приобрести тепловизор. Кроме того, не стоит забывать о криминогенном факторе. Учи-
тывая то, что дефектоскопические исследования, как правило, проводятся на объекте заказчика, повышается риск, связанный с тем, что постоянно приходится возить с собой дорогостоящее оборудование. Так же дополнительной проблемой приборов такого класса является повышенная информативность. При съемке часто получают изображение не только объекта контроля, но обширной части прилегающего пространства. В свою очередь это требует от оператора повышенных трудозатрат на обработку полученных данных.
Учитывая данные обстоятельства на кафедре приборостроения Горного университета, была создана дефектоскопическая установка «Мультископ». На рисунке 1 представлена его блок схема.
Рисунок 1 - Блок-схема комплекса дефектоскопической установки
Конструктивно комплекс представляет собой устройство из 2 основных частей: 1 - непосредственно сам регистрирующий блок на штативе, и 2 - программный комплекс обработки данных, установленный на портативную ЭВМ.
Регистрирующий блок состоит из дистанционного пирометра, установленного на поворотный узел, имеющий две степени свободы; на каждую ось установлен абсолютный датчик угла. Кроме того, на штативе установлена камера оптического диапазона.
Процесс измерения достаточно прост: камера оптического диапазона снимает объект контроля и передает изображение на ЭВМ, после этого делается угловая привязка по двум координатам, затем пирометром, вручную ведется сканирование, которое на экране ЭВМ отображается в виде температурного градиента.
Процесс контроля достаточно прост, но имеет ряд существенных недостатков. Методика контроля такова, что измерение можно приводить только при ряде выполненных условий приведенных выше, и кроме того необходимо соблюдать полную статичность измерительной части, что в свою очередь, вкупе с ручным способом сканирования, приводит к гигантским временным и трудовым затратам даже для сканирования минимальной площади ограниченной разрешением камеры прибора.
Повышение эффективности сканирования было решено за счет изменения представления информации и разбиения дефектологического исследования на 2 части (поискового и локализующего), каждой из которых сопутствует специфичный способ отображения информации, причем поисковый этап не требует угловой привязки. Кроме того, еще на заре прогресса цифровой техники и, в частности, ЭВМ отмечалось, что неавтономные сканирующие системы нежелательны в использовании [2], вследствие чего эффективность исследования должна существенно повыситься за счет минимизации ручных действий при работе с прибором. Учитывая также изменение в методике измерений и отличное от прежнего представления информации, можно отчетливо выделить проблематику автоматизации комплекса.
Комплексная модернизация включает в себя не только улучшение характеристик оборудования, но и соответствующее улучшение программной части.
В области улучшения измерительной части преследуется несколько основных
задач:
I. Замена ручного сканирование на автоматическое, где изменение точки сканирования будет производиться за счет механического смещения всего поворотного блока по двум осям, на каждой из которых будет установлен шаговый двигатель.
II. Учитывая изменившуюся методику измерений, необходимо создание узла позволяющего быстрое извлечение пирометра и его возврат без необходимости повторной калибровки (создание так называемого «quick mount»).
III. Изучить возможность замены коммуникационного кабеля стандарта RS-232 на беспроводную передачу данных по одному из трех протоколов: Bluetooth, ZigBee, Wi-Fi.
В области улучшения программной части следует ввести такие возможности как:
I. Автоматическая установка подвижной платформы в крайнее левое верхнее положение.
II. Внедрить поддержку беспроводных протоколов.
III. Установить поддержку многоэтапного исследования с присущим каждому этапу способу отображения информации.
Модернизация измерительной части предполагается с использованием современных программируемых микроконтроллерных плат. В частности плат Arduino. Платы микроконтроллеров Arduino выпускаются в различных конфигурациях, с различной
мощность и различными интерфейсами ввода/вывода, но все платы данного типа имеют объединяющий их базовый принцип работы.
«Сердцем» любой платы является микроконтроллер, который, по сути, представляет собой крайне миниатюризированный компьютер со всеми присущими ему структурными блоками, функциями и возможностями со скидкой на габаритные размеры и потребляемое питание. Как и обычный компьютер, контроллер имеет блоки оперативной и постоянной памяти, центральный процессор, интерфейсы подключения внешних устройств. В большинстве плат Arduino используется промышленно выпускаемый контроллер ATmega328P, хотя в наиболее мощных версиях применяется ATmega2560. Контроллер ATmega328P обладает 32 КБ энергонезависимой постоянной памяти (Flash), 2 КБ энергозависимой оперативной памяти (SRAM), а так же процессором с тактовой частотой 16МГц. Данных параметров, как правило, хватает для выполнения большинства задач возложенных на контроллер.
Кроме этого, плата обладает обширным инструментарием для подключения внешних, периферийных устройств, а так же цепями обеспечивающими питание и управление этими устройствами. Как правило, плата имеет 13 и более цифровых контактов, которые могут быть как входами, так и выходами, примерно половина этих контактов обладает возможность управления устройствами при помощи широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Так же плата имеет 6 и более аналоговых контактов позволяющих измерять подающееся на них напряжение в пределах от 0 до 5В. Завершает картину область контактов, позволяющих осуществлять питание периферийных устройств без использования внешних источников, имеются контакты на 3.3В, 5В, а так же 2 «земли». Прошивка микроконтроллера, а так же питание осуществляется посредством USB-интерфейса, при этом, если питание USB не может обеспечить стабильной работы платы, Arduino предоставляет возможность воспользоваться внешним питанием [3].
Для выполнения поставленных задач данную плату необходимо запрограммировать. Это процесс выполняется при помощи программы компилятора написанной специально для плат этого семейства. Программирование осуществляется на упрощенном языке программирование C++, что означает сходность выполнения многих процедур.
Так же для плат этого семейства выпускаются платы-расширения, позволяющие подключить мощные двигатели и использовать беспроводное соединение.
Обобщая все вышесказанное можно сказать, что комплекс инфракрасной дефектоскопии «Мультископ» представляет из себя экономически рациональную платформу, обладающую высоким потенциалом глубокой модернизации, после проведения которой данный прибор может составить основательную конкуренцию тепловизионно-му оборудованию.
Список литературы:
1. Ллойд Дж. Системы тепловидения / Пер. с англ. под ред. А. И. Горячева. - М.: Мир, 1978. 416 с.
2. Дроздов В. А., Сухарев В. И. Термография в строительстве - М.: Стройиздат, 1987. - 106 с.
3. Соммер У. Программирование микроконтроллерных плат Arduino/Freeduino -
БХВ-Петербург, 2012. 256 с.
List of references:
1. Lloyd J. Systems thermal imaging. / Trans. from English. ed. A. Goryachev. - Moscow "Mir", 1978. 416 p.
2. Drozdov V.A., Sukharev V.I. Thermography in construction. - Moscow Stroyizdat, 1987. - 106 p.
3. Sommer W. Programming microcontroller boards Arduino / Freeduino - BHV-Petersburg, 2012.
256 p.
